第11章溶液とコロイド
11.5 Colloids11.5 コロイド
Learning Objectives学習目標
By the end of this section, you will be able to:
この節を終えると、次のことができるようになる。
- Describe the composition and properties of colloidal dispersionsコロイド分散系の組成と性質を説明する。
- List and explain several technological applications of colloidsコロイドの技術的応用をいくつか挙げて説明する。
As a child, you may have made suspensions such as mixtures of mud and water, flour and water, or a suspension of solid pigments in water, known as tempera paint. These suspensions are heterogeneous mixtures composed of relatively large particles that are visible (or that can be seen with a magnifying glass). They are cloudy, and the suspended particles settle out after mixing. On the other hand, a solution is a homogeneous mixture in which no settling occurs and in which the dissolved species are molecules or ions. Solutions exhibit completely different behavior from suspensions. A solution may be colored, but it is transparent, the molecules or ions are invisible, and they do not settle out on standing. Another class of mixtures called colloids (or colloidal dispersions) exhibit properties intermediate between those of suspensions and solutions (Figure 11.29). The particles in a colloid are larger than most simple molecules; however, colloidal particles are small enough that they do not settle out upon standing.
英語のヒント
子どもの頃に、泥と水、小麦粉と水、あるいはテンペラ絵の具として知られる、水に固体顔料を分散させたものなど、懸濁液をつくったことがあるかもしれない。これらは、肉眼または虫眼鏡で見える比較的大きな粒子からなる不均一な混合物である。濁っており、混ぜた後、浮遊する粒子は沈降する。一方、溶液は、沈降の起こらない均一な混合物で、溶けた化学種は分子やイオンである。溶液は懸濁液とは全く異なる振る舞いを示す。色が付いている場合もあるが透明で、分子やイオンは見えず、静置しても沈降しない。コロイド、またはコロイド分散系という別の種類の混合物は、懸濁液と溶液の中間的な性質を示す（図11.29）。コロイドの粒子は、たいていの単純な分子より大きいものの、静置しても沈降しないほど小さいものである。
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Figure 11.29図 11.29
(a) A solution is a homogeneous mixture that appears clear, such as the saltwater in this aquarium. (b) In a colloid, such as milk, the particles are much larger but remain dispersed and do not settle. (c) A suspension, such as mud, is a heterogeneous mixture of suspended particles that appears cloudy and in which the particles can settle. (credit a photo: modification of work by Adam Wimsatt; credit b photo: modification of work by Melissa Wiese; credit c photo: modification of work by Peter Burgess)
(a) 溶液は、この水槽の塩水のように、澄んで見える均一な混合物である。(b) 牛乳のようなコロイドでは、粒子はずっと大きくても分散したまま沈降しない。(c) 泥のような懸濁液は、浮遊粒子からなる不均一な混合物で、濁って見え、粒子が沈降する場合がある。（写真の出典a：Adam Wimsattの作品を改変、b：Melissa Wieseの作品を改変、c：Peter Burgessの作品を改変）
The particles in a colloid are large enough to scatter light, a phenomenon called the Tyndall effect. This can make colloidal mixtures appear cloudy or opaque, such as the searchlight beams shown in Figure 11.30. Clouds are colloidal mixtures. They are composed of water droplets that are much larger than molecules, but that are small enough that they do not settle out.
英語のヒント
コロイド粒子は光を散乱させるほど大きく、この現象をチンダル効果と呼ぶ。そのため、図11.30の探照灯の光線のように、コロイド混合物は濁ったり不透明に見えたりする。雲もコロイド混合物である。分子よりはるかに大きいものの、沈降しないほど小さい水滴からできている。
OpenStax, Rice University, Chemistry 2e. Original caption credit: (credit: “Bahman”/Wikimedia Commons) Source work: LuminatoatHarbourfront.jpg · CC BY 2.0 · Source出典
Figure 11.30図 11.30
The paths of searchlight beams are made visible when light is scattered by colloidal-size particles in the air (fog, smoke, etc.). (credit: “Bahman”/Wikimedia Commons)
空気中のコロイドサイズの粒子（霧、煙など）が光を散乱すると、探照灯の光の通り道が見えるようになる。（出典：「Bahman」/Wikimedia Commons）
The term “colloid”—from the Greek words kolla, meaning “glue,” and eidos, meaning “like”—was first used in 1861 by Thomas Graham to classify mixtures such as starch in water and gelatin. Many colloidal particles are aggregates of hundreds or thousands of molecules, but others (such as proteins and polymer molecules) consist of a single extremely large molecule. The protein and synthetic polymer molecules that form colloids may have molecular masses ranging from a few thousand to many million atomic mass units.
英語のヒント
「コロイド」という語は、「のり」を意味するギリシャ語kollaと、「…のような」を意味するeidosに由来し、1861年にトーマス・グレアムが、水中のでんぷんやゼラチンのような混合物を分類するために初めて使った。多くのコロイド粒子は数百、数千の分子が集まったものであるが、タンパク質や高分子のように、極めて大きな分子一つからなるものもある。コロイドをつくるタンパク質や合成高分子の分子質量は、数千から数百万原子質量単位に及ぶ。
Analogous to the identification of solution components as “solute” and “solvent,” the components of a colloid are likewise classified according to their relative amounts. The particulate component typically present in a relatively minor amount is called the dispersed phase and the substance or solution throughout which the particulate is dispersed is called the dispersion medium. Colloids may involve virtually any combination of physical states (gas in liquid, liquid in solid, solid in gas, etc.), as illustrated by the examples of colloidal systems given in Table 11.4.
英語のヒント
溶液の成分を「溶質」と「溶媒」に分けるのと同様、コロイドの成分も相対的な量に従って分類される。通常、比較的少量存在する粒子状の成分を分散相、その粒子が全体に分散している物質または溶液を分散媒と呼ぶ。表11.4のコロイド系の例が示すように、コロイドには、液体中の気体、固体中の液体、気体中の固体など、物理的状態のほぼあらゆる組合せがあり得る。
Examples of Colloidal Systems コロイド系の例 |
|||
|---|---|---|---|
Dispersed Phase 分散相 |
Dispersion Medium 分散媒 |
Common Examples 一般的な例 |
Name 名称 |
solid 固体 |
gas 気体 |
smoke, dust 煙、ちり |
— |
solid 固体 |
liquid 液体 |
starch in water, some inks, paints, milk of magnesia 水中のでんぷん、一部のインク、塗料、マグネシア乳 |
sol ゾル |
solid 固体 |
solid 固体 |
some colored gems, some alloys 一部の有色宝石、一部の合金 |
— |
liquid 液体 |
gas 気体 |
clouds, fogs, mists, sprays 雲、霧、もや、噴霧 |
aerosol エアロゾル |
liquid 液体 |
liquid 液体 |
milk, mayonnaise, butter 牛乳、マヨネーズ、バター |
emulsion エマルション |
liquid 液体 |
solid 固体 |
jellies, gels, pearl, opal (H2O in SiO2) ゼリー、ゲル、真珠、オパール（SiO2中のH2O） |
gel ゲル |
gas 気体 |
liquid 液体 |
foams, whipped cream, beaten egg whites 泡、ホイップクリーム、泡立てた卵白 |
foam 泡沫 |
gas 気体 |
solid 固体 |
pumice, floating soaps 軽石、水に浮く石けん |
— |
Preparation of Colloidal Systemsコロイド系の調製
Colloids are prepared by producing particles of colloidal dimensions and distributing these particles throughout a dispersion medium. Particles of colloidal size are formed by two methods:
コロイドは、コロイドの大きさの粒子をつくり、分散媒全体に分布させて調製する。この大きさの粒子は、次の二つの方法でつくられる。
- Dispersion methods: breaking down larger particles. For example, paint pigments are produced by dispersing large particles by grinding in special mills.分散法：大きい粒子を砕く方法。たとえば塗料の顔料は、特殊な粉砕機で大きい粒子をすりつぶし、分散させて製造する。
- Condensation methods: growth from smaller units, such as molecules or ions. For example, clouds form when water molecules condense and form very small droplets.凝縮法：分子やイオンなど、小さい単位から成長させる方法。たとえば、水分子が凝縮して非常に小さい水滴になると、雲ができる。
A few solid substances, when brought into contact with water, disperse spontaneously and form colloidal systems. Gelatin, glue, starch, and dehydrated milk powder behave in this manner. The particles are already of colloidal size; the water simply disperses them. Powdered milk particles of colloidal size are produced by dehydrating milk spray. Some atomizers produce colloidal dispersions of a liquid in air.
英語のヒント
一部の固体物質は、水に接すると自発的に分散してコロイド系になる。ゼラチン、のり、でんぷん、脱水した粉乳は、このように振る舞う。粒子はすでにコロイドの大きさであり、水はそれを分散させるだけである。粉乳のコロイドサイズの粒子は、牛乳を噴霧して脱水することでつくられる。一部の噴霧器は、空気中に液体のコロイド分散系をつくる。
An emulsion may be prepared by shaking together or blending two immiscible liquids. This breaks one liquid into droplets of colloidal size, which then disperse throughout the other liquid. Oil spills in the ocean may be difficult to clean up, partly because wave action can cause the oil and water to form an emulsion. In many emulsions, however, the dispersed phase tends to coalesce, form large drops, and separate. Therefore, emulsions are usually stabilized by an emulsifying agent, a substance that inhibits the coalescence of the dispersed liquid. For example, a little soap will stabilize an emulsion of kerosene in water. Milk is an emulsion of butterfat in water, with the protein casein serving as the emulsifying agent. Mayonnaise is an emulsion of oil in vinegar, with egg yolk components as the emulsifying agents.
英語のヒント
不混和な二液体を一緒に振るか、混ぜ合わせると、エマルションをつくれる。一方の液体がコロイドサイズの液滴に分かれ、もう一方の液体全体に分散する。海で流出した油の除去が難しい理由の一つは、波の作用によって油と水がエマルションをつくることである。ただし多くのエマルションでは、分散相が合体して大きな滴となり、分離する傾向がある。そのため通常、分散した液体の合体を抑える物質である乳化剤で安定化する。たとえば、少量の石けんは、水中の灯油のエマルションを安定化する。牛乳は、水中に乳脂肪が分散したエマルションで、タンパク質カゼインが乳化剤として働く。マヨネーズは、酢の中に油が分散したエマルションで、卵黄成分が乳化剤として働く。
Condensation methods form colloidal particles by aggregation of molecules or ions. If the particles grow beyond the colloidal size range, drops or precipitates form, and no colloidal system results. Clouds form when water molecules aggregate and form colloid-sized particles. If these water particles coalesce to form adequately large water drops of liquid water or crystals of solid water, they settle from the sky as rain, sleet, or snow. Many condensation methods involve chemical reactions. A red colloidal suspension of iron(III) hydroxide may be prepared by mixing a concentrated solution of iron(III) chloride with hot water:
英語のヒント
凝縮法は、分子やイオンを集合させてコロイド粒子をつくる。粒子がコロイドの大きさを超えて成長すると、液滴や沈殿になり、コロイド系はできない。水分子が集合してコロイドサイズの粒子になると、雲ができる。その水粒子が合体し、液体の大きな水滴や固体の水の結晶になると、雨、みぞれ、雪として空から落ちてくる。多くの凝縮法は化学反応を伴う。塩化鉄(III)の濃厚水溶液を熱水と混ぜると、赤い水酸化鉄(III)のコロイド懸濁液を調製できる。
A colloidal gold sol results from the reduction of a very dilute solution of gold(III) chloride by a reducing agent such as formaldehyde, tin(II) chloride, or iron(II) sulfate:
塩化金(III)の非常に薄い水溶液を、ホルムアルデヒド、塩化スズ(II)、硫酸鉄(II)などの還元剤で還元すると、金コロイドのゾルができる。
Some gold sols prepared in 1857 are still intact (the particles have not coalesced and settled), illustrating the long-term stability of many colloids.
英語のヒント
1857年につくられた金ゾルの一部は、今でもそのままである（粒子が合体して沈降していない）。これは、多くのコロイドが長期間安定であることを示している。